스위치 모드 파워 서플라이
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1. 개요
스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는 1930년대부터 사용된 전원 공급 장치로, 1960년대 아폴로 유도 컴퓨터에 초기 형태가 탑재되었다. SMPS는 높은 효율, 소형 경량화, 낮은 발열의 장점을 가지지만, 회로가 복잡하고 전자파 간섭(EMI) 발생, 리플 전압 발생 등의 단점도 있다. SMPS는 AC 입력을 DC로 변환하는 정류, 직류를 교류로 변환하는 인버터, 전압을 안정화하는 제어 회로 등으로 구성된다. SMPS는 절연형과 비절연형으로 나뉘며, 벅, 부스트, 플라이백 컨버터 등 다양한 종류가 있다. 개인용 컴퓨터, 휴대폰 충전기, DC-DC 변환, 조명 등 다양한 분야에 응용되며, 한국에서도 전자 산업 발달과 함께 SMPS 기술이 발전해왔다. SMPS는 고전압을 다루므로 감전 위험에 유의해야 하며, 안전 규격을 준수하고 폐기 시 전자 폐기물 처리 규정에 따라 적절하게 처리해야 한다.
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| 스위치 모드 파워 서플라이 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 종류 | 전원 공급 장치 |
| 약어 | SMPS |
| 다른 명칭 | 스위칭 전원 공급 장치 스위처 스위칭 레귤레이터 |
| 상세 정보 | |
| 입력 전압 | AC 또는 DC |
| 출력 전압 | DC (일반적으로) |
| 효율 | 68%~90% (일반적으로) |
| 스위칭 주파수 | 20 kHz ~ 수 MHz |
| 작동 원리 | |
| 핵심 원리 | 전력 변환을 위해 스위칭 장치를 고주파로 켜고 끔 인덕터, 커패시터 및 기타 요소들을 사용하여 원하는 전압 및 전류 레벨을 얻음 |
| 장점 | 높은 효율 소형 크기 경량 |
| 단점 | 복잡한 회로 설계 전자기 간섭 (EMI) 발생 가능성 |
| 응용 분야 | |
| 주요 구성 요소 | |
| 스위칭 소자 | MOSFET BJT |
| 제어 IC | PWM 컨트롤러 |
| 에너지 저장 소자 | 인덕터 커패시터 |
| 변압기 (필요에 따라) | 전압 레벨 조정 및 절연 제공 |
| 토폴로지 | |
| 일반적인 토폴로지 | 벅 컨버터 (降圧コンバーター) 부스트 컨버터 (昇圧コンバーター) 벅-부스트 컨버터 플라이백 컨버터 포워드 컨버터 하프 브리지 컨버터 풀 브리지 컨버터 공진 컨버터 |
| 제어 방식 | |
| 주요 제어 방식 | PWM (펄스 폭 변조) 주파수 변조 전류 모드 제어 전압 모드 제어 |
| 관련 용어 | |
| 관련 용어 | 능동 소자 전원 공급 장치 효율 전자기 간섭 전압 레귤레이터 전류 레귤레이터 |
| 안전 및 규제 | |
| 안전 표준 | UL CE RoHS PSE |
| 보호 기능 | 과전압 보호 (OVP) 과전류 보호 (OCP) 과열 보호 (OTP) 단락 보호 (SCP) |
2. 역사
1836년 유도 코일을 사용하여 스위치를 통해 고전압을 생성하는 방법이 발견되었다.[1] 1910년 찰스 F. 케터링과 데이턴 엔지니어링 연구소(델코)가 개발한 유도 방전 점화 시스템이 캐딜락에 적용되었다.[1] 케터링 점화 시스템은 플라이백 부스트 컨버터의 초기 형태이며, 1960년대까지 내연 기관에 사용되었다. 1926년 필립 레이 코시는 "전기 콘덴서"에 대한 특허를 출원했는데,[2][3] 이는 고주파 용접[4] 및 용광로 기술 발전에 기여했다.
1930년대경 발전기의 전압 안정을 위해 전기 기계식 릴레이가 사용되었고,전압 조정기#전기 기계식 조정기[5][6] 자동차 라디오에는 진공관 전원 공급을 위해 전기 기계식 바이브레이터가 사용되었다.[7] 1959년 제너럴 모터스에서 트랜지스터 발진 및 정류 컨버터 전원 공급 시스템 특허를 출원했다.[8]
1960년대 아폴로 유도 컴퓨터에 초기 SMPS가 탑재되었다.[9] 1967년 페어차일드 반도체의 밥 위들러는 μA723 IC 전압 조정기를 설계하여 스위치 모드 조정기로 활용했다.[10] 1970년 텍트로닉스는 7000 시리즈 오실로스코프에 고효율 전원 공급 장치를 도입했다.[11][12][13][14] 같은 해, 로버트 보셔트는 저렴한 SMPS 회로를 개발하여 상용화에 성공했다. 이후 보셔트(Boschert Inc.)는 여러 회사를 거쳐 현재 어드밴스드 에너지의 일부가 되었다.[15][16][17]
1972년 휴렛 팩커드의 HP-35 계산기에 트랜지스터 스위칭 전원 공급 장치가 탑재되었고,[18] 1973년 제록스 알토 미니컴퓨터에도 스위칭 전원 공급 장치가 사용되었다.[19] 1976년 로버트 맘마노는 최초의 SMPS 제어 집적 회로인 SG1524를 개발했다. 이후 맘마노의 회사는 여러 회사를 거쳐 현재 마이크로칩 테크놀로지의 일부가 되었다.[20] 1977년 애플 II는 로드 홀트가 설계한 스위칭 모드 전원 공급 장치를 채택하여 경량화에 기여했다.[21] 1980년 HP8662A 합성 신호 발생기에 스위치 모드 전원 공급 장치가 사용되었다.[22]
대한민국에서는 1980년대부터 전자 산업 발전과 함께 SMPS 기술이 도입되기 시작했으며, 1990년대 이후 컴퓨터 및 통신 기기 보급 확산에 따라 SMPS 시장이 급성장했다.
3. 작동 원리
SMPS는 AC 입력을 가질 경우, AC 입력을 DC로 변환하는 '''정류''' 과정을 거친다.[33] DC 입력의 경우 이 과정은 필요하지 않다. 일부 전원 장치(주로 컴퓨터 ATX 전원 공급 장치)는 정류 회로에 전압 배가기 기능을 추가하여 115VAC 또는 230VAC 전원에서 작동할 수 있게 한다. 정류기는 비규제 DC 전압을 생성하여 필터 커패시터로 보낸다. 이 과정에서 발생하는 전류 펄스는 고주파 에너지를 가지며, 이는 역률 보정(PFC) 회로를 통해 보정된다.[34]
'''인버터'''는 직류를 교류로 변환한다. 전력 발진기를 통해 수십 또는 수백 킬로헤르츠의 주파수로 작동하며, MOSFET 증폭기가 스위칭을 담당한다. MOSFET은 낮은 온-저항과 높은 전류 처리 능력을 가진 트랜지스터이다.
입력과 출력이 절연되어야 하는 경우, 고주파 변압기가 사용된다. 변압기는 전압을 조절하여 2차 권선에서 필요한 출력 레벨을 생성한다. DC 출력이 필요한 경우, 변압기의 AC 출력은 정류된다. 10볼트 이상의 출력 전압에는 실리콘 다이오드가, 낮은 전압에는 쇼트키 다이오드가 사용된다. 더 낮은 출력 전압에서는 MOSFET이 동기 정류기로 사용될 수 있다.
정류된 출력은 인덕터와 커패시터로 구성된 '''필터'''를 통해 평활화된다. 높은 스위칭 주파수에서는 더 낮은 커패시턴스와 인덕턴스를 가진 부품이 필요하다. 비절연 전원 공급 장치는 변압기 대신 인덕터를 사용하며, ''승압 컨버터'', ''강압 컨버터'', ''벅-부스트 컨버터'' 등이 있다.
'''제어 회로'''는 출력 전압을 모니터링하고 기준 전압과 비교하여 출력 전압을 안정적으로 유지한다. 옵토커플러를 사용하여 출력 전압을 정밀하게 제어하기도 한다.[35] ''개루프 레귤레이터''는 피드백 회로 없이 변압기나 인덕터 입력에 일정한 전압을 공급한다.
교류 전원에서 전력을 공급받는 SMPS는 갈바닉 절연을 위해 변압기가 필요하다.[50] SMPS 변압기는 고주파에서 작동하여 크기를 줄일 수 있지만, 코어 손실이 증가하는 단점이 있다. 고주파에서는 페라이트 재료가 사용되며, 스위칭 반도체의 전이 중 에너지 손실 및 전자기 간섭에 주의해야 한다.
스위칭 DC-DC 컨버터는 자려식과 타려식으로 나뉜다. 타려식은 전용 발진 회로의 클록에 기초하여 스위칭이 이루어지는 제어 방식이다.
3. 1. 구성 요소
SMPS는 AC 입력을 가질 경우, AC 입력을 DC로 변환하는 '''정류''' 과정을 거친다.[33] DC 입력의 경우 이 과정은 필요하지 않다. 일부 전원 장치(주로 컴퓨터 ATX 전원 공급 장치)는 정류 회로에 전압 배가기 기능을 추가하여 115VAC 또는 230VAC 전원에서 작동할 수 있게 한다. 정류기는 비규제 DC 전압을 생성하여 필터 커패시터로 보낸다. 이 과정에서 발생하는 전류 펄스는 고주파 에너지를 가지며, 이는 역률 보정(PFC) 회로를 통해 보정된다.[34]
'''인버터'''는 직류를 교류로 변환한다. 전력 발진기를 통해 수십 또는 수백 킬로헤르츠의 주파수로 작동하며, MOSFET 증폭기가 스위칭을 담당한다. MOSFET은 낮은 온-저항과 높은 전류 처리 능력을 가진 트랜지스터이다.
입력과 출력이 절연되어야 하는 경우, 고주파 변압기가 사용된다. 변압기는 전압을 조절하여 2차 권선에서 필요한 출력 레벨을 생성한다. DC 출력이 필요한 경우, 변압기의 AC 출력은 정류된다. 10볼트 이상의 출력 전압에는 실리콘 다이오드가, 낮은 전압에는 쇼트키 다이오드가 사용된다. 더 낮은 출력 전압에서는 MOSFET이 동기 정류기로 사용될 수 있다.
정류된 출력은 인덕터와 커패시터로 구성된 '''필터'''를 통해 평활화된다. 높은 스위칭 주파수에서는 더 낮은 커패시턴스와 인덕턴스를 가진 부품이 필요하다. 비절연 전원 공급 장치는 변압기 대신 인덕터를 사용하며, ''승압 컨버터'', ''강압 컨버터'', ''벅-부스트 컨버터'' 등이 있다.
'''제어 회로'''는 출력 전압을 모니터링하고 기준 전압과 비교하여 출력 전압을 안정적으로 유지한다. 옵토커플러를 사용하여 출력 전압을 정밀하게 제어하기도 한다.[35] ''개루프 레귤레이터''는 피드백 회로 없이 변압기나 인덕터 입력에 일정한 전압을 공급한다.
교류 전원에서 전력을 공급받는 SMPS는 갈바닉 절연을 위해 변압기가 필요하다.[50] SMPS 변압기는 고주파에서 작동하여 크기를 줄일 수 있지만, 코어 손실이 증가하는 단점이 있다. 고주파에서는 페라이트 재료가 사용되며, 스위칭 반도체의 전이 중 에너지 손실 및 전자기 간섭에 주의해야 한다.
스위칭 DC-DC 컨버터는 자려식과 타려식으로 나뉜다. 타려식은 전용 발진 회로의 클록에 기초하여 스위칭이 이루어지는 제어 방식이다.
4. 장점 및 단점
장점스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는 선형 전원 공급 장치에 비해 여러 가지 장점을 가진다.
- 높은 효율: SMPS는 전력 변환 효율이 매우 높다. 스위칭 트랜지스터가 스위치 역할을 할 때 전력 소비가 적기 때문에 최대 98~99%[23][24][25]의 효율을 달성할 수 있다. 이는 잉여 전력을 열로 변환하여 출력 전압/전류를 조정하는 선형 레귤레이터와 대조적이다.
- 소형 경량화: SMPS는 무겁고 비싼 상용 주파수 변압기를 사용하지 않아 크기와 무게를 줄일 수 있다.[26]
- 낮은 발열: SMPS는 스위칭 트랜지스터가 스위치 역할을 할 때 전력 소비가 적기 때문에 발열이 적다. 대기 전력 손실도 변압기보다 훨씬 적은 경우가 많다.
단점스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는 회로 구성이 복잡하다.[23][24][25] 고주파 스위칭으로 인해 전자파 간섭(EMI)이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 저역 통과 필터를 사용해야 한다.[23][24][25] 스위칭 주파수 및 그 고조파에서 리플 전압이 발생한다. 매우 저렴한 SMPS는 전기적 스위칭 노이즈를 주 전원 라인으로 다시 전달하여 동일한 위상에 연결된 A/V 장비 등에 간섭을 일으킬 수 있다. 역률 보정이 되지 않은 SMPS는 고조파 왜곡도 발생시킨다.
4. 1. 장점
스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는 선형 전원 공급 장치에 비해 여러 가지 장점을 가진다.높은 효율: SMPS는 전력 변환 효율이 매우 높다. 스위칭 트랜지스터가 스위치 역할을 할 때 전력 소비가 적기 때문에 최대 98~99%[23][24][25]의 효율을 달성할 수 있다. 이는 잉여 전력을 열로 변환하여 출력 전압/전류를 조정하는 선형 레귤레이터와 대조적이다. 선형 레귤레이터는 전압 차이가 낭비되어 효율이 낮아진다. 일반적인 효율은 30~40%[27] 정도이다. 반면 SMPS는 70-85% 효율, 최대 90%[28]까지 가능하다.
소형 경량화: SMPS는 무겁고 비싼 상용 주파수 변압기를 사용하지 않아 크기와 무게를 줄일 수 있다.[26] 주어진 크기와 무게의 변압기 전력 처리 용량은 히스테리시스 손실을 줄일 수 있다면 주파수에 따라 증가한다. 따라서 더 높은 작동 주파수는 더 높은 용량 또는 더 작은 변압기를 의미한다.
넓은 입력 전압 범위: SMPS는 일반적으로 출력 전압이 변경되기 전에 더 넓은 입력 변화를 처리할 수 있다. 90~250V의 주 전압에서 작동하는 범용 또는 "광대역 입력" 전원 공급 장치가 일반적이다.
낮은 발열: SMPS는 스위칭 트랜지스터가 스위치 역할을 할 때 전력 소비가 적기 때문에 발열이 적다. 대기 전력 손실도 변압기보다 훨씬 적은 경우가 많다.
하지만 SMPS는 복잡성이 높고, 저역 통과 필터를 통해 전자파 간섭(EMI)을 방지해야 하는 고주파 에너지를 발생시키며, 스위칭 주파수 및 그 고조파에서 리플 전압이 발생한다는 단점도 있다.
4. 2. 단점
스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는 회로 구성이 복잡하다.[23][24][25] 선형 전원 공급 장치에 비해 가격이 일반적으로 비싸다. 고주파 스위칭으로 인해 전자파 간섭(EMI)이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 저역 통과 필터를 사용해야 한다.[23][24][25] 스위칭 주파수 및 그 고조파에서 리플 전압이 발생한다. 매우 저렴한 SMPS는 전기적 스위칭 노이즈를 주 전원 라인으로 다시 전달하여 동일한 위상에 연결된 A/V 장비 등에 간섭을 일으킬 수 있다. 역률 보정이 되지 않은 SMPS는 고조파 왜곡도 발생시킨다. 높은 스위칭 주파수는 부품 크기를 줄일 수 있지만 더 많은 RFI를 발생시킬 수 있다.5. 종류
스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 회로 토폴로지에 따라 크게 절연형과 비절연형으로 나뉜다.
비절연형 컨버터는 입력과 출력이 전기적으로 연결된 방식으로, 가장 단순한 형태이다. 에너지 저장을 위해 단일 인덕터를 사용하는 세 가지 기본 유형(벅, 부스트, 벅-부스트)이 있다. 벅(buck) 컨버터는 출력 전압이 입력 전압보다 낮고, 부스트(boost) 컨버터는 출력 전압이 입력 전압보다 높으며, 벅-부스트(buck-boost) 컨버터는 출력 전압의 극성이 입력 전압과 반대이다.[37]
- 벅(강압형): 입력 전압을 낮춰 출력한다. 출력 전류는 연속적이다.
- 부스트(승압형): 입력 전압을 높여 출력한다. 입력 전류는 연속적이다.
- 벅-부스트(반전형): 입력 전압의 극성을 반전시켜 출력한다. 입력과 출력 전류는 불연속적이다.
벅, 부스트, 벅-부스트 토폴로지는 입력, 출력, 접지가 한 지점에서 만나고, 세 요소 중 하나는 인덕터를, 다른 두 요소는 스위치를 통과하는 등 밀접하게 관련되어 있다.[37] 예를 들어, 12V 입력, 5V 출력 벅 컨버터는 출력을 접지하고 접지 핀에서 출력을 가져옴으로써 7V 입력, -5V 출력 벅-부스트 컨버터로 변환할 수 있다.
벅 컨버터는 전력을 스위칭하여 간헐적으로 제어하고, 코일을 사용하여 전류를 제한한다. 스위치 오프 시에는 다이오드(또는 MOSFET 등의 스위치)에 의해 코일에 축적된 자기 에너지가 전류가 되어 흐른다. 벅 컨버터는 코일에 흐르는 전류가 항상 부하에 흐른다.[52]
부스트 컨버터는 코일의 한쪽 끝을 전원에 연결하는 스위치와, 전원 전압을 순방향으로 부하에 전달하는 다이오드 (또는 MOSFET 등의 스위치)로 구성된다. 스위치 온 시에는 전원에서 코일로 전력이 공급되고, 스위치 오프 시에는 전원 -> 코일 -> 다이오드를 통해 부하에 전력이 공급된다. 이때 부하에는 전원 전압에 코일의 역기전력에 의해 발생하는 전압이 더해져 인가된다. 부스트 컨버터는 전원에서 공급되는 전류가 항상 코일에 흐른다.
벅-부스트 컨버터는 코일의 한쪽 끝을 전원에 연결하는 스위치와 전원 전압의 극성과 반대 방향으로 부하에 전력을 전달하는 다이오드(또는 MOSFET 등의 스위치)로 구성된다. 스위치 온 시에는 전원으로부터 코일에 전력이 공급되고, 스위치 오프 시에는 코일의 역기전력이 다이오드를 통해 부하에 공급된다.
이 외에도 스플릿 파이, 추크(Ćuk), 세픽(SEPIC), 제타(Zeta) 컨버터 등이 있다.
절연형 컨버터는 변압기를 사용하여 입력과 출력을 전기적으로 분리한 방식이다.[39][40] 변압기의 권선비를 조절하여 입력 전압보다 높거나 낮은 전압을 출력할 수 있으며,[37] 여러 개의 권선을 배치하여 여러 개의 출력 전압을 생성할 수도 있다.[41]
- 플라이백: 벅-부스트 컨버터의 절연 형태로, 소형 전원에 널리 사용된다.[44]
- 포워드: 벅 컨버터의 절연 형태이다.[37]
- 푸시-풀: 변압기 1차측 코일의 중점에 전원 플러스 측 노드를 연결하고, 1차측 코일의 양단에 각각 로우 사이드 스위치를 두고 전원 마이너스 측 노드에 연결하여, 2개의 로우 사이드 스위치를 교대로 온-오프 제어한다.
- 하프 브리지, 풀 브리지: 대전력을 효율적으로 전달할 수 있다.
많은 가전 제품은 누전 및 감전 사고를 방지하기 위해 상용 교류 전원과 전자 회로를 트랜스(변압기)로 절연하도록 규정되어 있다.[37] 절연형 DC-DC 컨버터는 비절연 DC-DC 컨버터에 트랜스를 개입시켜 고전압 입력 저전압 출력을 실현한다.
플라이백 컨버터는 벅-부스트 컨버터의 코일 대신 자성 코어에 갭을 둔 변압기(플라이백 변압기)를 사용한다. 2018년 현재, 널리 사용되는 AC 어댑터의 대부분이 이 회로 방식이다.[57][58][59][60]
thumb와 기계식 스위치 대신에 두 개의 트랜지스터와 분할 권선 자동 변압기를 사용하여 구현된 ''자동 스위칭 장치''가 있는 간단한 인버터 회로도.]]
6. 응용 분야
스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)는 다양한 분야에 응용된다. 개인용 컴퓨터에 사용되는 SMPS는 범용 입력을 갖는 경우가 많아 전 세계의 주 전원 공급 장치에서 전원을 수용할 수 있으며, 넓은 범위의 전원 주파수 및 전압을 견딜 수 있다. 휴대폰 충전기는 높은 생산량과 비용 절감을 위해 링잉 초크 컨버터(RCC) SMPS 토폴로지나 플라이백 토폴로지를 사용한다. 1차 측 감지 플라이백 컨트롤러는 옵토커플러와 같은 2차 측 감지 구성 요소를 제거하여 비용을 절감한다.
DC-DC 변환에도 사용되는데, 대형 차량에서 부속품용 12V 전원을 공급하거나, 통신 랙과 같은 산업 환경에서 저전압 DC 전원을 분산하는 데 사용된다. 또한 조명용 초저전압 전원으로도 활용되며, 이 경우 "전자 변압기"라고 불리기도 한다.
이 외에도 코일이 필요 없는 스위치드 커패시터, 디지털량에 따라 출력 전압을 고정밀도로 설정하는 "VID" 등이 있다.
7. 한국의 SMPS 산업
한국은 전자, 통신, IT 산업이 발달하면서 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS) 기술도 함께 발전해왔다. 코셀, TDK 람다, 옴론 등이 주요 SMPS 제조사로 활동하고 있으며, 중소기업들도 다양한 분야에서 SMPS를 생산, 공급하고 있다. 최근에는 고효율, 소형화, 디지털 제어 기술 등을 적용한 고성능 SMPS 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 더불어민주당은 중소기업 지원 정책을 통해 SMPS 산업 육성을 지원하고 있으며, 친환경 에너지 정책과 연계하여 고효율 SMPS 기술 개발을 장려하고 있다.
8. 안전 고려 사항
SMPS는 고전압을 다루므로 감전 위험이 있어 주의해야 한다.[49] 주요 필터 커패시터는 입력 전원이 차단된 후에도 높은 전압을 오랫동안 유지할 수 있다. 모든 전원 공급 장치에 커패시터를 천천히 방전시키는 "블리더" 저항이 있는 것은 아니다. 이 커패시터에 접촉하면 심각한 감전 사고를 초래할 수 있다. 1차측과 2차측은 전자기 간섭(EMI)을 줄이고 변압기를 포함한 컨버터 회로의 다양한 커패시티브 결합을 보상하기 위해 커패시터로 연결될 수 있으며, 이로 인해 경우에 따라 감전될 수 있다.[49]
과열, 과부하, 단락 등으로 인한 화재 위험이 있으므로 안전 규격을 준수해야 한다. 간단한 스위칭 전원에서는 전기적 스위칭 노이즈를 주 전원 라인에 커플링하여 A/V 기기 등 동상에 연결된 기기에 간섭을 일으킬 수 있다. 전자기 간섭(EMI)은 주변 기기에 영향을 줄 수 있으므로, EMI 필터 등을 사용하여 노이즈를 줄여야 한다. 역률 보정이 되지 않은 스위칭 전원은 고조파를 발생시킨다.
폐기 시에는 전자 폐기물 처리 규정에 따라 적절하게 처리해야 한다.
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